Neodímium vagy ferrit mágnes – melyik a jobb választás?

Az állandó mágneseket nem érdemes kizárólag a tapadóerő alapján kiválasztani. A neodímium-vas-bór (NdFeB) akkor különösen előnyös, ha kis méret mellett nagy mágneses teljesítményre van szükség. Ez azonban nem jelenti azt, hogy minden mágneses körben a neodímium a legjobb megoldás. Nagy sorozatnál, korróziós környezetben vagy kevésbé szigorú méretkorlátnál a ferrit gazdaságosabb lehet, magas hőmérsékleten és erős demagnetizáló térben pedig az SmCo jelenthet jobb választást.

Gyakori hiba, hogy két mágnest csak a katalógusban megadott tapadóerő vagy felületi mágneses indukció alapján hasonlítanak össze. A valós alkalmazásban az üzemi hőmérséklet, a koercitív térerősség, a légrés, a mágneses kör geometriája, a vonzott acél minősége és vastagsága, a korrózióvédelem, a mechanikai rögzítés, a gyártási technológia és az alapanyag-ellátás is számít. A legerősebb mágnesanyag nem mindig adja a legjobb műszaki megoldást.

Állandó mágnesek gyors műszaki összehasonlítása

Miért előnyös a neodímium, ha kevés a hely?

A szinterezett NdFeB mágnesek a legerősebb széles körben alkalmazott állandó mágnesanyagok közé tartoznak. Nagy energiaterméküknek köszönhetően kis térfogatból is jelentős mágneses hatás érhető el. Ez különösen fontos kompakt villamos motorokban, szervohajtásokban, robotikai rendszerekben, érzékelőkben, mágneses tengelykapcsolókban és olyan tartószerkezetekben, ahol a rendelkezésre álló hely korlátozott.

Az NdFeB megnevezés önmagában azonban nem elegendő a megfelelő mágnes kiválasztásához. A remanens indukció B_r, a belső koercivitás H_cJ, a maximális energiatermék (BH)_max és a demagnetizációs görbe alakja anyagminőségenként eltér. Különösen magasabb hőmérsékleten kell ellenőrizni, hogy az adott mágnes elegendő tartalékkal rendelkezik-e a működés közben fellépő ellenirányú mágneses térrel szemben.

Ezért nincs egyetlen olyan maximális üzemi hőmérséklet, amely minden neodímium mágnesre érvényes lenne. Egy standard és egy magas koercivitású NdFeB minőség között jelentős különbség lehet. A valódi üzemi határt a konkrét anyagminőség, a mágnes geometriája és a mágneses kör munkapontja együtt határozza meg.

Ha a munkapont a tényleges üzemi hőmérsékleten kedvezőtlen tartományba kerül a demagnetizációs görbén, visszafordíthatatlan mágneses veszteség következhet be. Lehűlés után ilyenkor a mágnes eredeti teljesítménye nem áll vissza teljesen. Ugyanaz az NdFeB mágnes ezért másképp viselkedhet kis légrésű, zárt mágneses körben és nagy légrésű vagy erős ellenmezővel terhelt rendszerben.

A korrózióvédelem szintén fontos tervezési szempont. A szinterezett NdFeB vastartalma miatt általában megfelelő bevonatot vagy kapszulázást igényel. Gyakori megoldás a Ni-Cu-Ni bevonat, a cink, az epoxigyanta vagy más speciális felületkezelés. A választásnál figyelembe kell venni a nedvességet, a kondenzációt, a vegyi környezetet, a kopást és a szükséges élettartamot.

Mechanikai szempontból sem szabad a neodímium mágnest acél szerkezeti elemként kezelni. A szinterezett anyag rideg, ütésre vagy hajlításra lepattanhat és eltörhet. Jól tervezett szerkezetben a mágnes biztosítja a mágneses teret, míg a ház, a hüvely, a ragasztás, a tengely vagy más mechanikai alkatrész veszi fel a terhelést.

A ferrit gyengébb, de gyakran ésszerűbb választás

A ferrit mágneses energiasűrűsége jóval kisebb az NdFeB-nél, ezért ugyanazon mágneses hatás eléréséhez általában nagyobb mágnesre van szükség. Ez azonban csak akkor jelent komoly hátrányt, ha a méret, a tömeg vagy a teljesítménysűrűség valóban kritikus.

Ha elegendő hely áll rendelkezésre, a ferrit alacsony ára és jó korrózióállósága miatt sok esetben gazdaságosabb megoldás. Általános környezeti feltételek között jellemzően nem igényel olyan korrózióvédő bevonatot, mint a szinterezett NdFeB. Motorokban, hangszórókban, mágneses szeparátorokban és nagy sorozatban gyártott termékekben ezért ma is széles körben használják.

A ferrit magasabb hőmérsékleten is jól használható, de itt sem célszerű egyetlen katalógusérték alapján dönteni. A remanencia és a koercivitás hőmérsékletfüggése eltér az NdFeB viselkedésétől, ezért a teljes üzemi tartományt és a mágneses kör munkapontját kell vizsgálni.

A helyes összehasonlítás tehát nem az, hogy azonos méret mellett melyik mágnes erősebb. A teljes mágneses rendszer mérete, ára, tömege, gyárthatósága és üzemi megbízhatósága számít. Nagy sorozatban egy nagyobb ferritmágnes gazdaságilag és műszakilag is jobb lehet, mint egy kisebb NdFeB megoldás.

SmCo és AlNiCo – amikor a hőmérséklet fontosabb a költségnél

SmCo magas hőmérséklethez és erős ellenmezőkhöz

A szamárium-kobalt mágnesek nagy mágneses teljesítményt, jó hőstabilitást és magas koercivitást kombinálnak. Emiatt olyan rendszerekben különösen előnyösek, ahol a mágnes egyszerre magas hőmérsékletnek és jelentős demagnetizáló térnek van kitéve.

Ilyen körülmények fordulhatnak elő speciális villamos motorokban, nagy fordulatszámú hajtásokban, aktuátorokban, érzékelőkben és repülőipari rendszerekben. Magasabb hőmérsékleten az SmCo olyan mágneses tartalékot biztosíthat, amelyhez NdFeB esetén már speciális magas koercivitású anyagminőségre lenne szükség.

Az SmCo korrózióállósága is kedvező, ezért sok esetben kevesebb felületvédelem szükséges, mint hagyományos szinterezett NdFeB esetén. Hátránya a magasabb ár és a ridegség. Akkor indokolt, ha a hőstabilitás, a demagnetizációval szembeni ellenállás és a hosszú távú mágneses stabilitás fontosabb, mint a legalacsonyabb darabár.

AlNiCo – kiváló hőállóság, kisebb koercivitás

Az AlNiCo különleges helyet foglal el az állandó mágnesanyagok között. Jó hőmérsékleti stabilitással rendelkezik, és megfelelő minőség esetén lényegesen magasabb üzemi hőmérsékletet visel el, mint a tipikus NdFeB mágnesek.

Legfontosabb korlátja a viszonylag kis koercitív térerősség. Erős külső ellenmező vagy kedvezőtlen mágneses kör esetén ezért könnyebben részlegesen lemágnesezhető. A mágnes alakját, a légrést, a pólusdarabokat és a mágneses visszavezetést ennél az anyagnál különösen gondosan kell kialakítani.

Az AlNiCo tehát nem egyszerűen azért jó választás, mert egy berendezés magas hőmérsékleten működik. Akkor előnyös, ha a hőstabilitás mellett a mágneses kör megfelelő munkapontot is biztosít.

A műanyag kötésű mágnes más tervezési problémát old meg

A műanyag kötésű állandó mágnes mágnesport és polimer kötőanyagot kombinál. A mágneses fázis lehet például ferrit vagy NdFeB, a gyártás pedig történhet fröccsöntéssel vagy préseléssel.

Fő előnye nem a maximális mágneses energiasűrűség, hanem a konstrukciós szabadság. Összetett geometria, vékony falak, pontos többpólusú mágnesezés, valamint tengelyek, perselyek és más elemek közvetlen integrációja is megvalósítható. Ez különösen érzékelők, enkóderek, mágnesgyűrűk, kis rotorok és nagy sorozatban gyártott alkatrészek esetén előnyös.

Mivel a térfogat egy részét a polimer kötőanyag foglalja el, a műanyag kötésű NdFeB általában kisebb energiaterméket ad, mint a teljesen tömör szinterezett NdFeB. Cserébe elmaradhat több megmunkálási és szerelési művelet, ami összetett alak vagy nagy sorozat esetén csökkentheti a teljes alkatrész költségét.

Motorok, érzékelők, szeparátorok és tartómágnesek eltérő követelményeket támasztanak

Villamos motorban az állandó mágnes egy teljes elektromágneses rendszer része. A tapadóerő itt nem releváns kiválasztási adat. A remanencia, a belső koercivitás, a légrés, a rotor és az állórész geometriája, az üzemi hőmérséklet és az ellenirányú mágneses tér együtt határozza meg a működést. Az NdFeB nagy teljesítmény- és nyomatéksűrűséget tesz lehetővé, de magas hőmérsékleten vagy erős ellenmezők mellett magas koercivitású NdFeB vagy SmCo lehet szükséges.

Érzékelőnél a maximális mágneses erő gyakran másodlagos. Fontosabb lehet a szenzor tényleges helyén kialakuló mágneses tér nagysága, iránya és reprodukálhatósága. A mágnes és az érzékelő közötti távolság, a mágnes alakja, a mágnesezés iránya és a hőmérsékleti változás közvetlenül befolyásolhatja a jel stabilitását.

Mágneses szeparátornál sem kizárólag a mágnesanyag számít. A mágneses tér geometriája, a szeparátor és az anyagáram közötti távolság, az anyagréteg vastagsága, a szennyező részecske mérete és mágneses tulajdonságai, valamint a tisztítás módja együttesen határozzák meg a leválasztási hatásfokot.

A ferrit és a neodímium ezért különböző szeparátorkonstrukciókban egyaránt indokolt lehet. Nagy intenzitású NdFeB rendszer előnyös lehet nagyon finom ferromágneses szennyeződéshez, míg más feladatoknál a nagyobb méretű ferritmágneses kör költsége és térgeometriája lehet kedvezőbb.

Tartómágneseknél a katalógusban szereplő tapadóerőt különösen óvatosan kell értelmezni. A névleges értéket rendszerint meghatározott körülmények között, megfelelő vastagságú és minőségű acélfelületen mérik. Festék, rozsda, szennyeződés, felületi érdesség vagy akár kis légrés is jelentősen csökkentheti a tényleges tapadóerőt.

A terhelés iránya is fontos. A felületre merőlegesen mért tapadóerő nem azonos azzal az erővel, amelyet a mágnes egy függőleges acélfelületen oldalirányú terhelés mellett képes átvinni. Ilyen helyzetben az eltolási erő és a rendelkezésre álló súrlódás sokszor fontosabb adat.

A mágneses kör ugyanolyan fontos, mint maga a mágnesanyag

Egy állandó mágnes működése nem határozható meg kizárólag a remanenciából vagy a felületen mért mágneses indukcióból. A mágnes a demagnetizációs görbéjének egy meghatározott munkapontján működik, amelyet a mágnes geometriája és a teljes külső mágneses kör alakít ki.

A mágnes hossza és keresztmetszete, a légrés, a pólusdarabok és a mágneses visszavezetés mind befolyásolják a munkapontot. Nagyobb légrés általában növeli a mágneses ellenállást és csökkenti a hasznos fluxust a működési tartományban. A szórt mágneses fluxus szintén csökkentheti a rendszer tényleges hatásosságát.

Ezért egy ferritmágnes egyszerű cseréje kisebb NdFeB mágnesre nem feltétlenül hozza a várt eredményt. Ha a légrés, a pólusgeometria és a visszavezető vas változatlan marad, az új mágnes kedvezőtlen munkapontba kerülhet, vagy a nagyobb energiaterméke nem használható ki teljesen.

Kritikus alkalmazásban a konkrét anyagminőség demagnetizációs görbéjét a tényleges üzemi hőmérsékleten kell vizsgálni. Összetett geometria, kis légrés, szigorú mezőhomogenitási követelmény vagy demagnetizációs kockázat esetén numerikus mágneses térszimuláció is indokolt lehet.

A ritkaföldfémek miatt a mágnesválasztás ellátási lánc kérdése is

Az NdFeB és az SmCo mágnesek olyan nyersanyagokat használnak, amelyek ellátása földrajzilag és iparilag erősen koncentrált. Az NdFeB elsősorban neodímiumot és prazeodímiumot tartalmaz, a magasabb koercivitású anyagminőségekben pedig diszprózium vagy terbium is megjelenhet. Az SmCo esetében a szamárium és a kobalt a meghatározó alapanyag.

Ezek az anyagok villamos motorokban, robotikában, automatizálásban, elektronikában, energiatechnikai rendszerekben és számos más nagy hozzáadott értékű ipari alkalmazásban fontosak. Emiatt a mágnes kiválasztásánál egyre gyakrabban kerül előtérbe az ellátásbiztonság, az importfüggőség, az árkockázat és az újrahasznosíthatóság.

A fejlesztések egyik iránya a nehéz ritkaföldfémek mennyiségének csökkentése a nagy koercivitású NdFeB anyagokban, a másik pedig a használt mágnesek és másodnyersanyagok visszaforgatása. Nagy sorozatú terméknél ezért már nem csak az egyes mágnesek ára, hanem a teljes alapanyag- és beszállítói kockázat is része lehet a tervezési döntésnek.

Ez nem jelenti azt, hogy kerülni kell a neodímiumot. Kompakt, nagy teljesítményű motorokban, aktuátorokban és sok más rendszerben továbbra is ez lehet a legjobb műszaki választás. A kérdés inkább az, hogy valóban szükség van-e a nagy ritkaföldfém-mágneses teljesítményre, vagy egy nagyobb ferrites mágneses kör is teljesíteni tudja a követelményeket.

Mit kell ellenőrizni egy állandó mágnes kiválasztása előtt?

Az állandó mágnest nem elszigetelt katalógustermékként, hanem egy teljes mágneses, hőtechnikai és mechanikai rendszer részeként kell specifikálni. A végleges anyagválasztás előtt több alapvető tervezési feltételt érdemes ellenőrizni.

• Mágneses feladat: először azt kell meghatározni, hogy nagy mágneses indukcióra, nagy tapadóerőre, meghatározott térgradiensre vagy stabil referencia-mágneses térre van-e szükség.
• Remanencia és energiatermék: a B_r és a (BH)_max jól jellemzi az anyag lehetőségeit, de nem helyettesíti a teljes mágneses kör vizsgálatát.
• Belső koercivitás: a H_cJ értéknek a legmagasabb üzemi hőmérsékleten is elegendő tartalékot kell biztosítania a várható demagnetizáló térrel szemben.
• Munkapont: a mágnes geometriája, a légrés, a pólusdarabok és a mágneses visszavezetés együtt határozza meg a tényleges üzemi pontot a demagnetizációs görbén.
• Üzemi hőmérséklet: a határértéket mindig a konkrét anyagminőségre és a valós mágneses körre kell ellenőrizni. Nem elegendő általános hőmérsékletet rendelni minden neodímium-, ferrit- vagy SmCo mágneshez.
• Korrózióvédelem: szinterezett NdFeB esetén a bevonatnak vagy kapszulázásnak meg kell felelnie a nedvességnek, kondenzációnak, vegyi környezetnek, mechanikai kopásnak és a kívánt élettartamnak.
• Mechanikai rögzítés: a rideg mágneseket védeni kell ütéstől, hajlítástól és kontrollálatlan összecsapódástól, és nem szabad olyan szerkezeti terhelést átadni nekik, amelyre nem alkalmasak.
• Valós tapadási feltételek: tartómágneseknél a légrés, a festék, a szennyeződés, az acél minősége és vastagsága, az érintkezési felület és a terhelési irány fontosabb lehet, mint egyetlen katalógusérték.
• Gyártástechnológia: a szinterezett, öntött, műanyag kötésű és fröccsöntött mágnesek eltérő lehetőségeket kínálnak geometria, tűrések, mágnesezés és szerelési költség szempontjából.
• Sorozatnagyság és nyersanyagkockázat: nagy sorozatnál a mágnes ára mellett az Nd, Pr, Dy, Tb, Sm és Co elérhetőségét, valamint a helyettesítés és az újrahasznosítás lehetőségét is figyelembe kell venni.

A legjobb állandó mágnes tehát nem feltétlenül az az anyag, amelynek a legnagyobb a remanenciája vagy a katalógusban megadott tapadóereje. A megfelelő megoldás az a mágneses kör, amely a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban, valós mechanikai és környezeti feltételek között biztosítja a szükséges mágneses teret, miközben a méretet, költséget, gyárthatóságot és ellátási kockázatot is elfogadható szinten tartja.

Források és további információk

• Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem – Mágneses anyagok és állandó mágnesek
• Óbudai Egyetem – Mágneses körök
• BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar – Elektrotechnika és mágneses körök számítása
• PZK – Demagnetizáló B-H görbe, remanencia, koercivitás és BHmax
• SELOS – Neodímium mágnesek és anyagminőségek
• SELOS – Ferrit mágnesek
• SELOS – Szamárium-kobalt mágnesek
• supermagnete.hu – A tapadóerőt befolyásoló tényezők
• SOLLAU – Mágneses szeparátorok ipari alkalmazásokhoz
• Szabályozott Tevékenységek Felügyeleti Hatósága – Kritikus nyersanyagok és ellátásbiztonság
• Miskolci Egyetem / Magyar Tudományos Akadémia – Ritkaföldfém-indikációk és másodnyersanyagok